一种复杂水域环境中无人艇航行规划方法

摘要

本发明涉及一种复杂水域环境中无人艇航行规划方法，步骤为：1、根据无人艇任务要求，获取无人艇控制中心下达任务内容；2、进行无人艇航行任务阶段划分；3、无人艇在导航能力覆盖内的航行海域，通过搭载导航设备进行水面水下障碍物的探测识别，获取未知环境信息，构建更完备的水域环境；4、根据步骤3中构建的水域环境，将无人艇当前所在位置作为初始规划的位置，步骤2航行任务阶段划分当前阶段终点为无人艇航行到达区域，使用快速搜索随机树算法进行无人艇可航局部路径规划；5、利用滚动窗口策略，执行已规划完成的前一阶段的规划路线，同时重新规划下一阶段的航行路线，直到最终完成整个航行任务。本发明为无人艇的在复杂水域环境构建提供了有效的解决方案。

说明书

技术领域

本发明属于无人艇智能航行领域，具体涉及一种复杂水域环境中无人艇航行规划方法。

背景技术

无人艇是一种能够在海洋环境下自主航行，并完成各种任务的小型水面运动平台，运用现代智能控制技术，可以实现自主航行，进行一系列任务应用。水面无人艇作为多功能应用平台能够替代有人艇进行一系列水面作业和特定任务，无人艇具有速度快、操纵灵活和自动化程度高的特点，目前很多国家都开展了无人艇技术和应用方面的研究，随着无人艇智能化水平不断提高，无人艇对国防安全和军事领域具有重大意义。无人艇在执行作业或作战任务时面临着诸多挑战，既要求无人艇能够对海洋环境进行感知，又要求无人艇能够在航行水域环境中进行航路规划，特别是在复杂水域环境下，基于电子海图的环境信息无法涵盖完备的水域环境信息。

现有的无人艇航行规划算法一方面主要是针对航行水域已知环境信息进行建模，并进行全局路径规划；另一方面主要是对局部环境信息的探测进行局部路径的规划。全局路径规划算法依赖于已知静态的水域环境信息，无法获取完备的航行环境信息，最终规划路径存在潜在威胁。对于复杂多变的水域环境，局部路径规划算法需要依托导航设备实时获取环境信息，并更新航行水域环境模型，单纯的局部路径规划无法完成复杂水域的航行任务。

针对复杂水域环境中无人艇自主航行应用需求，解决复杂水域环境建模与路径规划问题成为无人艇在复杂水域环境航行的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种复杂水域环境中无人艇航行规划方法。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种复杂水域环境中无人艇航行规划方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、根据无人艇任务要求，获取无人艇控制中心下达任务内容，包括无人艇航行水域、起始位置、终止位置和要求航速；

步骤2、进行无人艇航行任务阶段划分，包括如下步骤：

2.1获取任务水域初始环境信息，具体为：通过电子海图提供的数字化海洋环境地理信息数据，对无人艇执行任务水域中海洋环境进行数据处理，提取出电子海图中的可航区和碍航区，获得全局环境的障碍物分布情况；

2.2依托气象预报获取无人艇执行任务水域水文、气象、潮汐信息，构建任务水域的初始环境模型，

2.3根据任务水域初始环境信息和无人艇导航能力覆盖范围进行无人艇航行任务阶段划分；

步骤3、构建更完备的水域环境，具体为：

根据航行任务阶段划分，无人艇在导航能力覆盖内的航行水域，通过搭载导航设备进行水面水下障碍物的探测识别，获取未知环境信息，构建更完备的水域环境。

步骤4、根据步骤3中构建的水域环境，将无人艇当前所在位置作为初始规划的位置，步骤2航行任务阶段划分当前阶段终点为无人艇航行到达区域，使用快速搜索随机树算法进行无人艇可航局部路径规划；

步骤5，利用滚动窗口策略，无人艇在局部路径规划的基础上通过航迹控制执行已规划完成的前一阶段的规划路线，与此同时通过快速搜索随机树算法重新规划下一阶段的航行路线，直到最终完成整个航行任务。

进一步的：步骤3中的导航设备包括导航雷达、激光雷达、气象站、红外光电、全景摄像机、测深仪中的一种或多种。

进一步的：步骤4中，无人艇可航路径规划具体过程如下：

4.1、初始化起点及终点区域，设置最大扩展点数量K和扩展步长t；

4.2：产生第一个节点x

4.3：在产生随机点后，遍历随机树中的每一个节点，计算每一个节点与该循环生成随机点之间的距离，找出距离此随机点最近的节点，记为x

4.4：当找到x

4.5：判断新节点x

4.6：重复4.2至4.5，直到终点在扩展点的范围内或者扩展点的数量超过K，算法结束。

更进一步的：所述快速搜索随机树算法扩展步长以及碰撞检测的距离，根据无人艇运动性能约束、水域环境复杂度确定。

进一步的：步骤5中，若在执行某一任务阶段无法完成下一阶段的规划，则无人艇将在安全航速下航行，等待下一阶段规划完成。

本发明具有的优点和积极效果：

本发明针对复杂水域环境中无人艇自主航行问题，通过导航设备信息采集系统构建更加完备的水域环境，使用快速扩展随机树算法及滚动窗口规划策略解决无人艇自主航行问题，具体表现如下：

(1)基于无人艇航行水域环境特点，依托已知环境信息进行无人艇初始路径规划和航行阶段划分，在常规导航设备应用基础上获取水域未知环境信息，构建更加完备的水域环境。该方法为无人艇的在复杂水域环境构建提供了有效的解决方案。

(2)在无人艇自主航行方法中采用快速搜索随机树算法进行路径搜索，可以在感知区域内求快速高效地解出可航路径，符合无人艇在复杂水域航行要求。

(3)使用滚动窗口航行规划策略解决环境动态多变问题，解决动态不确定复杂水域航行环境无人艇自主航行问题。

附图说明

图1是本发明的无人艇航行规划方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

针对现有无人艇在复杂水域中航行，不能获取完备的水域环境信息，在动态多变环境下无法完成全局规划的不足，本发明提出：滚动窗口航行规划策略，是在无人艇航行过程中同时感知完善水域环境信息，并采用分段进行局部路径规划的方式代替全局路径规划。

参见图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1,根据无人艇任务要求，获取无人艇控制中心下达任务内容，包括无人艇航行水域、起始位置、终止位置、要求航速；

步骤2，进行无人艇航行任务阶段划分，具体包括如下步骤：

2.1获取任务水域初始环境信息，具体为：通过电子海图提供的数字化海洋环境地理信息数据，对无人艇执行任务水域中海洋环境进行数据处理，提取出电子海图中的可航区和碍航区，获得全局环境的障碍物分布情况；

2.2依托气象预报获取无人艇执行任务水域水文、气象、潮汐信息，构建任务水域的初始环境模型，

2.3根据任务水域初始环境信息和无人艇导航能力覆盖范围进行无人艇航行任务阶段划分。

步骤3，根据航行任务阶段划分，无人艇在导航能力覆盖内的航行水域，通过搭载导航雷达、激光雷达、气象站、红外光电、全景摄像机、测深仪等导航设备进行水面水下障碍物的探测识别，获取未知环境信息构建更加完备的水域环境。

步骤4，根据步骤3中构建的水域环境，将无人艇当前所在位置作为初始规划的位置，步骤2航行任务阶段划分当前阶段终点为无人艇航行到达区域，使用快速搜索随机树(RRT)算法进行无人艇可航局部路径规划，所述无人艇可航路径规划具体过程如下：

4.1：初始化起点及终点区域，设置最大扩展点数量K和扩展步长t。

4.2：产生第一个节点x

4.3：在产生随机点后，遍历随机树中的每一个节点，计算每一个节点与该循环生成随机点之间的距离，找出距离此随机点最近的节点，记为x

4.4：当找到x

4.5：判断新节点x

4.6：重复步骤二到步骤五，直到终点在扩展点的范围内或者扩展点的数量超过K，算法结束。

所述RRT算法扩展步长以及碰撞检测的距离，根据无人艇运动性能约束、水域环境复杂度确定。

步骤5，根据步骤S1获取无人艇及任务信息，无人艇根据步骤S2进行初始规划并划分航路段。在每一次规划中利用步骤3对该阶段感知的局部环境信息，利用步骤4所述方法进行下一阶段的路径规划。在局部路径规划的基础上通过航迹控制执行第一阶段的规划路线，与此同时算法重新规划下一阶段的航行路线，直到最终完成航行任务，如果在执行某一任务阶段无法完成下一阶段的规划，无人艇将在安全航速下航行，等待下一阶段规划完成。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。